Química de las arcillas Introducción
Una comprensión total de las arcillas puede ser la herramienta más valiosa del ingeniero de lodos. Las arcillas pueden ser añadidas intencionalmente, tal como M-1 GEL , o puede entrar en el lodo como un contaminante principal a través de la dispersión de los sólidos de perforación. En cualesquiera de los casos, ésta se vuelve una parte activa del sistema. Por esta razón, es necesario entender la química básica de las arcillas para controlar adecuadamente los lodos con base agua. La química de las arcillas es también importante con relación a las interacciones entre los lodos de base agua y las pizarras que afectan la estabilidad del agujero. La arcilla es un término vasto, comúnmente utilizado para describir sedimentos, tierras o rocas que consisten de partículas minerales extremadamente granulosas y finas y materia orgánica. Un buen ejemplo es la arcilla (o algunas veces llamada arcillas gumbo [pegajosas]) encontrada en el patio trasero o a lo largo de las orillas de los ríos. Estas arcillas son con frecuencia suaves y plásticas cuando están húmedas, pero se vuelven duras cuando están secas. Esta propiedad física, “suave cuando están húmedas, duras cuando están secas”, puede estar relacionada a la presencia de ciertos minerales de arcilla. La arcilla también se utiliza como un término de grupo para partículas con un tamaño menor a 2 micrones de diámetro, lo que incluye la mayoría de los minerales de arcilla. Los minerales de arcilla son minerales de silicato de aluminio de grano fino con microestructuras bien definidas. En la clasificación minerológica, los minerales de arcilla están clasificados como silicatos en capas porque la estructura dominante consiste de capas formadas por láminas de sílica y alúmina. Cada lámina es una estructura delgada con apariencia de placa y se llama capa de unidad . Un mineral típico de silicato en capas, por ejemplo, es la mica o la vermiculita, que puede ser separada en capas delgadas a lo largo de los planos de partición. La mayoría de los minerales de arcilla son laminados en su morfología. Dependiendo en las unidades de repetición de la estructura, los minerales de arcilla pueden están adicionalmente clasificados como la proporción de capas de sílica a alúmina tales como 1:1, 2:1 y 2:2, así como de acuerdo a si son minerales de arcilla en capas o en forma de agujas. En la industria de los fluidos de perforación, ciertos minerales de arcillas, como la esmectita, un componente principal de la bentonita, son utilizados para proporcionar viscosidad, estructura de gel y control de pérdida de fluidos. Las arcillas de las formaciones son inevitablemente incorporadas en el sistema de fluido de perforación durante las operaciones de perforación y pueden causar varios problemas. Así, los minerales de arcilla pueden ser benéficos o dañinos dañ inos al sistema de fluidos. El término bentonita es utilizado para la montmorillonita de sodio extraída comercialmente (que es una forma de esmectita) que es usada como un aditivo para el lodo de perforación (por ejemplo, M-1 GEL O GEL SUPREME ). Geológicamente, la bentonita es un lecho de cenizas volcánicas alteradas. Uno de los mayores depósitos de esta ceniza volcánica ocurrió alrededor de 60 millones de años atrás en áreas de Norteamérica, hoy conocida como las Colinas Negras de Wyoming y Dakota del Sur, y las Montañas de Gran Cuerno de Wyoming. La arcilla de bentonita extraída en Wyoming proviene realmente de este lecho de bentonita depositado volcánicamente. La arcilla de bentonita extraída en otras áreas del mundo puede provenir de otros tipos de depósitos geológicos. Debido a sus tamaños de partículas pequeñas, las arcillas y los minerales de arcilla son analizados con técnicas especiales tales como: defracción de rayos-X, absorción ®
™
infraroja y microscopía de electrones. La Capacidad de Intercambio de Catión (CEC: Cation Exchange Capacity), adsorción de agua y área de superficie son algunas de las propiedades de los minerales de arcilla que son frecuentemente determinados para mejor caracterizar los minerales de arcilla así como para minimizar los problemas de perforación. Tipos de arcillas
Existe un gran número de minerales de arcillas, pero aquellos con los que estamos involucrados en los fluidos de perforación pueden ser clasificados en tres tipos. El primer tipo son las arcillas que no se hinchan, en forma de agujas, como la atapulgita o sepiolita. Se cree que la forma de las partículas es la responsable por la habilidad de la arcilla para fabricar viscosidad. El tamaño de fino cristal natural y la forma de aguja causan que ésta fabrique una estructura de “escobilla” en suspensión y por tanto exhibe alta estabilidad coloidal aun en presencia de una alta concentración de electrolito. Debido a su forma y características de no hinchazón, estas arcillas presentan un control de filtración muy deficiente. Por esta razón, la atapulgita es principalmente utilizada como un constructor de viscosidad en los lodos de agua salada y la sepiolita es mayormente utilizada como un viscosificador suplementario para los fluidos de alta temperatura y geotérmicos. Estas arcillas raramente están, si alguna vez lo están, presentes en las pizarras de formación. M-1 vende atapulgita bajo el nombre de SALT GEL , y sepiolita bajo el nombre DUROGEL . El segundo tipo son las arcillas no hinchables (o ligeramente hinchables), con forma de placa: ilita, clorita y kaolinita, discutidas posteriormente. El tercer tipo son las montmorillonitas altamente hinchables, con forma de placa. El segundo y tercer tipo de minerales de arcilla son encontrados en las pizarras de formación, en el siguiente orden, en cantidades decrecientes: (1) ilita, (2) clorita, (3) montmorillonita y (4) kaolinita. Debido a que estas arcillas están presentes en las formaciones perforadas, estas son dispersadas en el sistema de fluido de perforación en cantidades variantes. La montmorillonita en las pizarras es usualmente la montmorillonita de calcio, ya que está en equilibrio con el agua de formación, que es normalmente rica en calcio. Normalmente, la montmorillonita de sodio (bentonita de Wyoming, M-1 GEL y GEL SUPREME) es también añadida a un lodo para aumentar la viscosidad y reducir la pérdida de fluido. La filtración y propiedades reológicas del lodo se convierten en una función de las cantidades de varias arcillas contenidas en el lodo. Ya que la motmorillonita es intencionalmente añadida a un lodo para controlar estas propiedades, los otros tipos de arcilla pueden ser considerados contaminantes, ya que no son tan efectivas como la arcilla comercial. Las arcillas existen en la naturaleza con una estructura en capas o apiladas, con cada capa de unidad alcanzando aproximadamente 10 angstroms (Å) de grosor. Esto significa que hay alrededor de un millón de capas por milímetro de espesor. Cada capa de arcilla es altamente flexible, muy delgada y tiene una enorme área de superficie. Se puede pensar que una partícula de arcilla individual se parece mucho a una lámina de papel o un pedazo de celofán. ¡Un gramo de montmorillonita de sodio tiene un área de superficie de capa total de 8,073 ft2 (750m2)! En el agua natural, las capas adsorben agua y se hinchan al punto donde las fuerzas que las sostienen juntas se debilita y las capas individuales pueden ser separadas de los paquetes. Separar estos paquetes en capas múltiples se conoce como dispersión. Este aumento en el número de partículas, con el aumento resultante en el área de superficie, ®
®
causa que la suspensión se espese. La Figura 1 es una fotomicrografía real de una partícula de bentonita. Observe que ésta se parece a un mazo de cartas extendido en forma de abanico. Varias de las partículas con forma de placa pueden ser vistas sobreponiéndose una sobre la otra. Esta forma característica de las partículas es lo que produce el efecto llamado “en capas (escalonado)” que es tan importante para el control de pérdida de fluido.
INSERTAR FIGURA 1 INSERTAR FIGURA 2 Las arcillas son cualquiera del tipo de dos capas como el kaolin o el tipo de tres capas, tal como la montmorillonita, clorita o ilita. Cada partícula de arcilla con forma de placa consiste de una pila de capas de unidades paralelas. Cada capa de unidad es una combinación de láminas de sílica arreglada tetraédricamente (pirámide) y láminas de magnesio o alúmina arregladas octaédricamente (de ocho lados). Las arcillas de tres capas están conformadas por capas de unidad compuestas de dos láminas tetraédricas sobre cualquiera de los lados de una lámina octaédrica, algo como un emparedado (vea la Figura 2). Las arcillas de dos capas están formadas de capas de unidad consistentes de sólo una lámina tetraédrica y una lámina octaédrica. Las arcillas pueden estar o neutrales eléctricamente o cargadas negativamente. Por ejemplo la pirofilita [Al 2Si4O10 – (OH)2], una arcilla neutral, como se muestra en la Figura 3, es similar a la montmorillonita cargada negativamente.
INSERTAR FIGURA 3 Arcillas montmorillonitas (arcillas de tres capas)
Si sólo se sustituye un átomo de magnesio (Mg2+) por un átomo de aluminio (Al3+) en la estructura de celosía (arreglo de átomos), ésta entonces poseerá un electrón excedente o de carga negativa (vea la Figura 4). La carga neta negativa es compensada por la adsorción de cationes (iones positivos) en las superficies de capa de unidad, ambos en las superficies interiores y exteriores de la pila. Los cationes que son adsorbidos en las superficies de capa de unidad pueden ser intercambiados por otros cationes y son llamados los cationes intercambiables de la arcilla. La cantidad de cationes por peso de unidad de la arcilla es medida y reportada como el CEC. El catión puede ser ion de carga sencilla, tal como el sodio (Na+), o un ion de doble carga, tal como el calcio (Ca2+) o magnesio (Mg2+). Así, tenemos montmorillonita de sodio, montmorillonita de calcio y/o montmorillonita de magnesio. Aunque la bentonita de Wyoming se describe generalmente como montmorillonita de sodio, el calcio y magnesio intercambiable puede constituir de 35 a 67% de la capacidad total de intercambio. La propiedad más típica de las montmorillonitas es aquella de la hinchazón de intercapas (hidratación) con agua (vea la Figura 5 y 6). En adición a la sustitución del magnesio (Mg2+) por aluminio (Al3+) en la celosía de montmorillonita, muchas otras sustituciones son posibles. Así, el nombre montmorillonita es usado como un nombre de grupo que incluye muchas estructuras minerales específicas. Sin embargo, en años recientes, el nombre esmectita se ha vuelto ampliamente aceptado como el nombre de grupo, y el término montmorillonita ha sido reservado para los miembros aluminosos predominantes del grupo. Este grupo de minerales incluye montmorillonita, hectorita, saponita, nontronita y un número de otros minerales específicos. Ilitas (arcillas de tres capas)
Las ilitas tienen la misma estructura básica que las montmorillonitas, pero no muestran hinchazón por intercapas. En vez de la sustitución de Mg2+ por Al3+, como en la
montmorillonita, la ilita tiene una sustitución de Al 3+ por Si4+, dando todavía una carga negativa. Los cationes de compensación son principalmente el ion de potasio (K +), como se muestra en la Figura 6. La carga neta negativa de la celosía que resulta de estas sustituciones, al compensar los iones de potasio, es usualmente más grande que la de la montmorillonita por mucho como una y media veces.
INSERTAR FIGURA 4 INSERTAR FIGURA 5 El espacio entre las capas de unidad es 2.8 Å. El diámetro ionico de K+ es 2.66 Å. esto permite que K + ajuste estrechamente entre las capas de unidad formando un enlace que evita la hinchazón en la presencia de agua. Ya que las capas de unidad no se hinchan y se separan cuando son expuestas al agua, los iones de potasio (K +) entre las capas de unidad no están disponibles para intercambio. Sólo los iones de potasio en las superficies exteriores pueden ser intercambiados por otros cationes. Entre los 2:1 de los minerales de arcilla, esmectita, ilita, y capas mezcladas de ilita y esmectita, se encuentran durante la perforación de las formaciones de pizarra y con frecuencia causan varios problemas en la estabilidad de agujeros y el mantenimiento del fluido de perforación. La naturaleza problemática de estos minerales de arcilla puede estar relacionada a los cationes de intercapa de enlace débil y débiles cargas de capa que conducen a la hinchazón y dispersión al contacto con agua. Con el aumento de las profundidades de entierro, la esmectita gradualmente se convierte en arcillas de capa mezclada de ilita/esmectita y finalmente a ilita y mica. Como un resultado, las formaciones de pizarras generalmente se vuelven menos hinchadas pero más dispersivas con el incremento de profundidad. Cloritos (arcillas de tres capas)
Los cloritos están estructuralmente relacionados a las arcillas de tres capas. En su forma pura estas no se hincharán, pero pueden ser ligeramente inducidas a la hinchazón con alteración. En estas arcillas, los cationes de compensación de carga entre las capas de unidad tipo montmorillonita son reemplazados por una capa de hidróxido de magnesio octaédrico, o brucita (vea la Figura 6). Esta capa tiene una carga neta positiva debido a algo de reemplazo de Mg 2+ por Al3+ en la capa de brucita. El clorito es frecuentemente encontrado en antiguos sedimentos marinos enterrados profundamente, y normalmente no causa problemas significativos a menos que estén presentes en grandes cantidades. La capacidad de intercambio de catión del clorito varía de 10 a 20 meg/100 g, principalmente debido a los enlaces rotos. La distancia en la capa de clorito es generalmente de alrededor de 14 Å. El clorito también puede formar arcillas de capas mezcladas con otros minerales de arcilla tales como la esmectita. La arcilla de capa mezclada resultante tendría las propiedades de ambos tipos de minerales de arcilla. Kaolinitas (arcillas de dos capas)
La kaolinita es una arcilla no hinchable que tiene sus capas de unidad enlazadas estrechamente juntas por el enlace de hidrógeno. Este evita la expansión de las partículas porque el agua es incapaz de penetrar las capas. La kaolinita no contiene cationes de intercapa o cargas de superficie porque hay poco o nada de sustitución en cualesquiera de las láminas octaédricas o tetraédricas. Sin embargo, algunas cargas menores pueden aparecer por enlaces rotos o impurezas. Por tanto, la kaolinita tiene una capacidad de intercambio de catión relativamente bajo (de 5 a 15 meq/100 g). La kaolinita se encuentra
comúnmente como un constituyente de menor a moderado (de 5 a 20%) en las rocas sedimentarias, tales como pizarras y arenisca. Un resumen de los minerales de arcilla es presentado en la Tabla 1 como una comparación esquemática de las varias estructuras de arcillas mostradas en la Figura 6.
INSERTAR TABLA 1 INSERTAR FIGURA 6 Capacidad de Intercambio de Catión (CEC: Cation Exchange Capacity)
Los cationes de compensación que son adsorbidos en la superficie de capas de unidad pueden ser intercambiado por otros cationes y son llamados los cationes intercambiables de la arcilla. La cantidad de cationes por peso de unidad de arcilla es medida y reportada como el CEC. El CEC es expresado en miliequivalentes por 100 g de arcilla seca (meq/100 g). El CEC de las montmorillonitas está dentro del alcance de 80 a 150 meq/100 g de arcilla seca. El CEC de ilitas y cloritos está alrededor de 10 a 40 meq/100 g, y para las kaolinitas este está alrededor de 3 a 10 meq/100 g de arcilla. La Prueba de Azul de Metileno (MBT: Methylene Blue Test) es un indicador del CEC aparente de una arcilla. Cuando esta prueba es corrida en un lodo, la capacidad total del intercambio de azul de metileno de todos los minerales de arcilla presentes en el lodo es medida. Es procedimiento normal reportar la Capacidad de Azul de Metileno (MBC) como la cantidad equivalente de bentonina de Wyoming requerida para obtener esta misma capacidad. Es importante observar que la prueba no indica directamente la cantidad de bentonita presente. Sin embargo, un estimado de la cantidad de bentonita y sólidos en el lodo pueden ser calculados si uno considerada que los sólidos de perforación promedio tienen alrededor de 1/9 del CEC de bentonita, y si la cantidad de sólidos de perforación presentes en el lodo es calculada de un análisis de retorta. Esta estimación de la cantidad de bentonita añadida y los sólidos de perforación puede ser hecha más exacta midiendo el MBC de los recortes de perforación. Este procedimiento puede ser útil para estimar ambos, la cantidad y calidad de las arcillas en el lodo. Para tener una idea de cuáles cationes reemplazarán otros cationes en las posiciones de intercambio, lo siguiente es generalmente aceptado y es arreglado en preferencia descendente:
INSERTAR ARREGLO En otras palabras, cualquier catión a la izquierda reemplazará cualquier catión a su derecha. La concentración relativa de cada catión también afecta esta preferencia de intercambio de cationes. Aun cuando el calcio es más difícil de reemplazar que el sodio, si la concentración ionica de Na+ es significativamente mayor que Ca2+, entonces el sodio desplazará al calcio. El intercambio de catión puede resultar de un cambio en temperatura ya que muchos componentes tienen diferentes relaciones de temperatura a solutabilidad. Algunas de las sales de calcio comunes, tales como CaSO4, disminuyen en solutabilidad a altas temperaturas mientras que la mayoría de los componentes de sodio aumentan en solutabilidad. En tanto la concentración de Na+/Ca2+ aumenta, hay una tendencia para que el Ca2+ en la arcilla sea reemplazado por el Na+ de la solución. Composición de los lodos de arcilla de agua
En la mayoría de las áreas, las arcillas comerciales, como el M-1 GEL y el GEL SUPREME, son añadidas al agua cuando se prepara un lodo con base agua. Las arcillas sirven para un doble propósito: (1) para dar viscosidad al fluido de perforación, y (2) para depositar una
costra filtro que sellará las formaciones permeables para limitar las pérdidas de filtración y prevenir tubos atorados. En algunas áreas, la perforación puede ser efectuada iniciando con agua y permitiendo que los sólidos de perforación sean incorporados, resultando en propiedades suficientes para permitir que el pozo sea perforado. En otras situaciones, los sistemas con base polímeros son usados donde no se añaden arcillas a la formulación. Los lodos de arcilla de agua tienen agua como la fase líquida continua en la que ciertos materiales son mantenidos en suspensión y otros materiales disueltos. Numerosos aditivos de lodo son usados para obtener propiedades especiales pero, básicamente, todos los componentes pueden estar divididos en tres categorías. 1. La fase agua es la fase continua del lodo. Dependiendo en la locación y/o disponibilidad del agua, esta puede ser agua natural, agua de mar, agua dura, agua suave, etc. no es extraño utilizar una variedad de soluciones de salmuera desde salada hasta saturación como el líquido base para fabricar un sistema con base agua. 2. La fase de sólidos reactivos está compuesta de arcillas comerciales, arcillas hidratables incorporadas y pizarras de las formaciones perforadas que son mantenidas en suspensión en la fase de fluido. Estos sólidos son tratados químicamente para controlar las propiedades del fluido de perforación, varios aditivos serán utilizados para obtener propiedades deseables. 3. Los sólidos inertes se refieren a aquellos sólidos en suspensión que son químicamente inactivos. Estos pueden ser sólidos de perforación inertes tales como caliza, dolomita o arena. Se añade barita al fluido de perforación para aumentar la densidad del fluido y es también un sólido inerte. El resto de este capítulo discutirá el comportamiento de los sólidos reactivos en la fase agua y cómo esto afecta las propiedades del lodo. Hidratación de las arcillas
El cristal de bentonita consiste de tres capas: una capa alúmina con una capa de sílica encima y debajo de esta. La plaqueta de arcilla está cargada negativamente y tiene una nube de cationes asociados con esta. Si una cantidad significativa de estos cationes es de sodio, la arcilla es llamada con frecuencia montmorillonita de sodio. Si son primariamente calcio, entonces la arcilla es llamada montmorillonita de calcio. Dependiendo en los cationes presentes, el espaciado intercapas de montmorillonita seca estará entre 9.8 (sodio) y 12.1 Å (calcio) y llenado con agua enlazada estrechamente. Cuando la arcilla seca contacta el agua natural, el espacio intercapas se expande, y la arcilla absorbe un “sobre” grande de agua. Estos dos fenómenos permiten a las arcillas generar la viscosidad. Como se muestra en la Figura 7, las bentonitas con base calcio sólo se expanden a 17 Å, mientras que la bentonita de sodio se expande a 40 Å. El espesor de la película de agua adsorbida es controlado por el tipo y la cantidad de cationes asociados con la arcilla. El agua adsorbida hacia las superficies planares, planas, grandes, incluye la mayor parte del agua total retenida por arcillas hidratables. Los cationes divalentes tales como el Ca2+ y Mg2+ aumentan la fuerza de atracción entre las plaquetas, disminuyendo así la cantidad de agua que puede ser adsorbida. Los cationes monovalentes tales como en Na+ dan lugar a una fuerza de atracción disminuida y permiten que más agua penetre entre las plaquetas. Debido a que la bentonita de sodio se hincha cuatro veces tanto como la bentonita de calcio, la bentonita de calcio generará cuatro veces la viscosidad. Una discusión más comprensiva del papel que juega el intercambio de base calcio en los sistemas tratados de calcio es abordada en el capítulo Sistemas con Base Agua.
La esmectita, en adición al agua de adsorción y cationes en las superficies externas, absorbe agua y cationes a las superficies entre las capas en su estructura cristalina. La habilidad de la esmectita para adsorber agua es mucho mayor que la de otros minerales de arcilla. La habilidad de adsorber agua, la cantidad de cationes intercambiables (CEC) y el área de superficie están estrechamente relacionados con el fenómeno que es algunas veces utilizado en el término propiedades colligativas de la arcilla. Las propiedades colligativas son básicamente mediciones de la reactividad de la arcilla. Debido a que el CEC es fácil de medir, un método práctico es evaluar la reactividad de la pizarra o la arcilla. El CEC de la arcilla puede ser medido con una titración de azul de metileno. Cuando se mide el CEC, se utiliza una solución de azul de metileno 0.01 N, de modo que el número de milímetros de solución de azul de metileno que se necesita para alcanzar el punto final es igual a meq/100 g. La clasificación de CEC para los materiales de mineral de arcilla puro se muestra en la tabla siguiente:
INSERTAR TABLA 2 La esmectita es claramente mucho más reactiva que otros materiales de minerales de arcilla. Las pizarras que contienen esmectita son más sensibles al agua y se hidratan más. Las pizarras que contienen otros minerales de arcillas tienen menos habilidad para hidratar, pero todavía pueden ser sensibles al agua. La mayoría de las pizarras contienen diversos tipos de arcilla en cantidades variantes. La reactividad de la pizarra depende de los tipos y cantidades de minerales de arcilla presentes en la pizarra. Con frecuencia el CEC es una mejor medida de la reactividad de arcilla que el análisis minerológico infrarojo del análisis de difracción por rayos-X. Influencia catónica de hidratación
Como se señaló anteriormente, el poder de reemplazo relativo de un catión por otro se muestra en las series siguientes:
INSERTAR SERIE Un catión puede ser servir como un enlace para mantener juntas las partículas de minerales de arcilla, disminuyendo por tanto la hidratación. Los cationes multivalentes atan juntas las capas más firmemente que los cationes monovalentes, usualmente resultando en la agregación de las partículas de arcilla. El potasio, un catión monovalente, es la excepción de la regla. Los cationes adsorbidos pueden volverse hidratados y atraer un sobre de agua con una forma concreta. El tamaño y la forma del catión hidratado afecta su habilidad para ajustarse entre las superficies de arcillas intercapas y tiene influencia sobre ambos, la hinchazón y la hidratación de la arcilla. Los espacios dentro de las capas de montmorillonita cristalina son 2.8 Å. Los iones pequeños, como el potasio, que pueden ajustarse entre las capas de arcilla son más fáciles y permanentemente intercambiados. En adición, los cationes que se vuelven grandes cuando son hidratados, expanden las distancias de las intercapas para promover la hidratación de la arcilla. El calcio es un buen ejemplo, teniendo un diámetro hidratado de 19.2 Å. El litio es otro ejemplo, teniendo tres moléculas de agua y un diámetro hidratado de 14.6 Å. Los cationes monovalentes con grandes diámetros hidratados causan la mayoría de la hinchazón y dispersión. Los cationes multivalentes con pequeños diámetros hidratados son los mayormente inhibitivos. La Tabla 3 enlista el diámetro ionico (cristalino) y el diámetro hidratado de los cationes comunes para los fluidos de perforación. Una ves que los cationes hidratados son adsorbidos en la región intercapas, estos pueden ser deshidratados con el tiempo y la exposición a las altas temperaturas, de modo que las distancias intercapas realmente se
encogen y se vuelven menos reactivas (vea la fijación de ion discutido en la sección siguiente).
INSERTAR TABLA 3 Reacciones de arcilla con iones de potasio
Las reacciones químicas entre los iones de arcilla y de potasio son únicas cuando se comparan con otros iones. El modelo de intercambio de ion no explica completamente la interacción de potasio con arcilla. Se debe poner atención especial a este proceso debido al uso ampliamente difundido del potasio en los fluidos de perforación y completación para estabilizar las pizarras reactivas. Aun en las aplicaciones mar afuera en los E.U.A., donde el nivel de potasio debe ser mantenido por debajo del 5% por razones ambientalistas, esta pequeña concentración de iones pueden ayudar a estabilizar las formaciones activas de pizarras, porque la fijación del ion puede ocurrir en algunas arcillas de esmectita cuando estas son expuestas al potasio. De acuerdo a Eberl (1980), hay dos maneras en las que el potasio puede volverse asociado con minerales de arcilla: 1. Intercambio de ion (discutido antes). 2. Fijación de ion La reacción del intercambio de ion es gobernada por la ley de acción de masa; esto es que la tasa de intercambio depende de la concentración de los iones (por ejemplo, mientras más alta la proporción del ion K a ion Na, más rápida la tasa de intercambio de K + por Na+). En adición al intercambio de ion, la fijación de ion ocurrirá en las arcillas con una carga de capas alta. Esto aumenta la selectividad de la arcilla para potasio por un orden de magnitud. Las arcillas montmorillonita, tales como la bentonita de Wyoming y algunas pizarras tipo gumb,o que fueron depositadas en los ambientes agotados de potasio, son selectivas para potasio. Basados en los cálculos teoréticos, Eberl encuentra que la fijación del potasio en las arcillas esmectita en el Golfo de México han pasado cuando menos en algún grado de alteración por el proceso conocido como diagénesis de entierro. Esta alteración diagenética puede ser subdividida en una reacción de dos pasos. El primer paso es la creación de la esmectita cargada de capa alta por la sustitución de aluminio por silicón en la capa tetraédrica de la esmectita. La esmectita cargada de capa alta es entonces convertida a ilita (realmente esmectita/ilita de capa mezclada) por fijación de potasio. Esta fijación de potasio ocurre en la naturaleza aun con una proporción alta de sodio a potasio en la solución del poro. Hay suficiente potasio disponible para permitir que las capas de esmectita se transformen a capas de ilita en muchos ajustes geológicos. En otros ajustes geológicos, la transformación completa no puede ocurrir porque el potasio está corto de suministro. En los ajustes geológicos donde la transformación de capas de esmectita a capas de ilita ha sido limitada por la no disponibilidad del potasio, la esmectita cargada de capa-alta puede ser diagenéticamente desarrollada. Este es el caso con las arcillas de la costa del Golfo. Estas generalmente tendrán una carga de capa-alta, y una mayor porción de la carga se presentará en la capa tetraédrica que debe ser más selectiva hacia el potasio a temperaturas más bajas. Por lo tanto, cuando el potasio se vuelve disponible en el lodo de perforación, aún en los lodos de agua de mar con una alta proporción de sodio a potasio, ocurrirá la conversión de capas de esmectita cargadas de capa-alta a capas de ilita. El efecto de esta reacción es estabilizar la pizarra.
En algunas pizarras gumbo, las capas de esmectita cargadas de capa-alta coexisten con las capas de esmectita cargadas de capa-baja. Las capas de esmectita cargada de capa baja no fijarán el potasio y, en casos donde la concentración de potasio es ampliamente excedido por el sodio, se comportará de acuerdo a la teoría clásica de intercambio de ion. Así, aumentar la proporción de potasio a sodio en el lodo ayudará a saturar las capas de esmectita de capa baja cargada con potasio y proporcionarán estabilización adicional de pizarras. Proceso de enlace de partícula de arcilla
En adición a conocer la cantidad y calidad de las arcillas en un lodo, es necesario conocer el estado de asociación de las partículas de arcilla. Los diversos procesos de enlace de las partículas de arcilla son importantes para la reología de suspención de arcilla. Estos procesos de enlace deben ser entendidos para comprender y controlar los intercambios reológicos en los fluidos de perforación. Las partículas con forma de placa, planas y delgadas, de la arcilla tienen dos superficies diferentes. La cara larga o superficie planar está cargada negativamente donde la celosía es desbaratada y se expone una superficie de enlace roto. Estas cargas eléctricas y cationes intercambiables conforman un campo de fuerza eléctrico alrededor de las partículas de arcilla que determina cómo estas partículas interactúan una con la otra. Si los iones intercambiables son disasociados de la superficie de arcilla, la fuerza repelente entre las placas planas, negativamente cargadas, y las placas serán dispersadas de una a la otra. La dispersión completa es rara y probablemente sólo pueda ocurrir en las suspenciones de dilución de montmorillonita de sodio purificado. Usualmente, ocurre algún grado de enlace entre las partículas. Las partículas de arcilla de asociación en uno de los siguientes estados: agregación, dispersión, floculación o defloculación (vea la Figura 8). Estas pueden estar en uno o más estados de asociación al mismo tiempo con un estado de asociación predominando.
INSERTAR FIGURA 6 Agregación (enlace cara a cara), conduce a la formación de placas o paquetes más
espesos. Esto disminuye el número de partículas y causa una disminución en la viscosidad plástica. La agregación puede ser causada por la introducción de cationes divalentes al fluido de perforación, tal como el Ca2+. Esto podría ocurrir de las adiciones de cal o yeso o por la perforación de anhidrita o cemento. Después de un aumento inicial, la viscosidad disminuirá con tiempo y temperatura a algún valor más bajo de lo que estaba originalmente. Dispersión, el reverso de la agregación, conduce a un mayor número de partículas a viscosidades plásticas mayores. Las plaquetas de arcilla son normalmente agregadas antes de que estén hidratadas y ocurre alguna dispersión mientras se hidratan. El grado de dispersión depende del contenido de electrolito del agua, tiempo, temperatura, los cationes intercambiables en la arcilla y la concentración de arcilla. Salinidad más baja, tiempos más largos, mayores temperaturas y menor dureza conducen a más dispersión. Aunque la bentonita de Wyoming no se dispersará completamente en agua a temperatura ambiente. Floculación, se refiere a la asociación de partículas de orilla a orilla y/o orilla a cara, conduciendo a la formación de una estructura de “casa de cartas”. Esto causa un aumento en la viscosidad, gelación y pérdida de fluido. La severidad de este incremento es una función de las fuerzas que actúan en las partículas enlazadas y el número de partículas disponibles para ser enlazadas. Cualquier cosa que aumente las fuerzas repelentes entre
partículas o encoge la película de agua adsorbida, tal como la adición de cationes divalentes o alta temperatura, promueve la floculación. Defloculación, es la disociación de partículas floculadas. La adición de ciertos químicos al lodo neutraliza las cargas electroquímicas en las arcillas. Esto remueve la atracción que resulta del enlace orilla a orilla y/o orilla a cara entre las partículas de arcilla. Ya que la defloculación resulta en una reducción en viscosidad, los químicos defloculantes seguido se mencionan como adelgazadores de lodos. La defloculación también ayuda en permitir que las partículas de arcilla se encuentren planas en la costra del filtro para reducir la pérdida de fluido. Rendimiento de las arcillas
El rendimiento de las arcillas está definido como el número de barriles de 15-cP (centipoise) de lodo que puede ser obtenido de una tonelada de material seco. La Figura 9 ilustra por qué 15 cP fue seleccionado como el valor que define el rendimiento. La parte crítica de la curva para todos los tipos de arcilla aparece a 15 cP. Las añadiciones grandes de arcilla hasta 15 cP promueve poco aumento de viscosidad, considerando que pequeñas cantidades de arcilla tienen un efecto pronunciado sobre viscosidad arriba de 15 cP. Esto no sólo es verdadero con las arcillas comerciales sino también para los sólidos de perforación hidratables. También es relevante que una suspensión de arcilla de 15 cP soportará barita en los sistemas de lodo pesado. Esta gráfica puede ser muy útil para el ingeniero de lodos. Para una viscosidad dada de varias arcillas, se pueden obtener datos relativos a la densidad de lechada, por ciento de sólidos por peso, rendimiento en barriles por tonelada, porciento de sólidos por volumen y libras de sólidos por barril de lodo. Por ejemplo, alrededor de 20 lb/bbl de bentonita (M-1 GEL) se requieren para producir un lodo de viscosidad de 15 cP. Desde la gráfica, entonces, éste contendría 5½ % de sólidos por peso, rendiría 100 bbl/ton, tendría 2½ % de sólidos por volumen y pesaría alrededor de 8.6 lb/gal.
INSERTAR FIGURA 9 El rendimiento sería menor si una arcilla toma menos agua. Por comparación, si se utilizó sub-bentonita para producir un lodo de viscosidad 15 cP, esta contendría 15% de sólidos por peso, rendiría sólo 28 bbl/ton, tendría 8½ % de sólidos por volumen y pesaría casi 9.4 lb/gal. Las arcillas tienen muchas aplicaciones en los lodos de perforación. Aumentar la viscosidad de un lodo de perforación puede ser mejor obtenido con la menor cantidad de sólidos añadiendo una arcilla que tiene el rendimiento más alto (M-I GEL). Los valores de menor pérdida de fluido pueden ser obtenidos con bentonita ya que las partículas de tamaño medio y gruesas son normalmente producidas desde la formación. La calidad del lodo será mejorada utilizando bentonita de Wyoming de alta calidad. Ambas. M-1 GEL y GEL SUPREME, son bentonitas de Wyoming. Estas difieren en que el M-1 GEL es tratada con cantidades muy pequeñas de polímero (peptizado) para aumentar su rendimiento, mientras que el GEL SUPREME es una bentonita no tratada. El M-1 GEL cumple con la Especificación API 13A, Sección 4 especificaciones de “Bentonita”. El GEL SUPREME cumple con la Especificación API 13A, Sección 5 especificaciones de “Bentonita no tratada”. M-1 también vende bentonita OCMA que cumple con la Especificación API 13A, Sección 6 especificaciones de “Bentonita OCMA”. NOTA: OCMA es el acrónimo para Oil Companies Materials Association.
Factores que afectan el rendimiento de arcillas
La hidratación y la dispersión de arcilla seca son grandemente afectadas si la formación de agua contiene sal o varios iones metálicos. Por ejemplo, muchos lodos de perforación son preparados con agua de mar por economía y conveniencia. Un análisis típico de agua de mar podría contener los siguientes componentes:
INSERTAR TABLA DE COMPONENTES El agua que contiene cualquier concentración de sal puede ser saturada con sal adicional. El agua de sal saturada contiene alrededor de 315,000 mg/l de cloruro de sodio. Aproximadamente 120 lb/bbl de sal se requieren para saturar agua natural. La Figura 10 muestra el efecto de varias concentraciones de estos iones sobre la hidratación de bentonita. En general, se puede manifestar que la hidratación de arcillas de agua natural disminuye rápidamente con concentraciones incrementantes de estos iones. Este fenómeno es más aparente en las Figuras 11 y 12. Demostrado en estos ejemplos, está la hidratación de dos cubos idénticos de bentonita. El primero en agua natural y el segundo en agua salada. La Figura 11 muestra el cubo de bentonita inicialmente en un vaso picudo de agua natural y luego de nuevo 72 horas después. La hidratación y consecuente hinchazón son fácilmente aparentes. La Figura 12 muestra el cubo de bentonita inicialmente en el agua salada y de nuevo 72 horas después. Es obvio que poco o nada de hidratación ha ocurrido.
INSERTAR FIGURA 10 INSERTAR FIGURA 11 INSERTAR FIGURA 12 El agua que contiene calcio o magnesio es referida como agua “dura”. Una práctica para obtener más viscosidad de la arcilla, es “suavizar” el agua con ceniza de soda y sosa cáustica para precipitar el calcio y el magnesio. Cuando existen altas concentraciones de cloruro, el único método para reducir la concentración es por dilución con agua natural.
INSERTAR FIGURA 13 Cuando el agua de formación es salada, se puede utilizar SALT GEL (atapulgita) para obtener viscosidad. La atapulgita es un mineral único. Su estructura cristalina es parecida a la aguja, como se muestra en la Figura 12. Su habilidad para fabricar viscosidad es independiente del agua de formación. En la misma concentración, SALT GEL en cualquier tipo de agua rendiría alrededor de la misma viscosidad que el M-1 GEL en agua natural. La habilidad para fabricar viscosidad no depende de la hidratación sino mejor sobre la extensión a la cual los manojos de agujas son recortados. La viscosidad resultante es creada por dos elementos: 1. La formación de estructuras de cepillo por las fuerzas de recorte. Una analogía simple sería similar al popote agitado dentro del agua. 2. Fuerzas de atracción entre partículas creadas por cargas de enlaces rotos en las orillas de las agujas rotas por la fuerza cortante. Ya que la arcilla atapulgita fabricará viscosidad similar en cualquier tipo de agua de formación, una pregunta podría ser “¿Por qué no utilizar siempre atapulgita?” La respuesta sería (1) mayor costo, (2) falta de control de filtración debido a la forma de la partícula y (3) las características reológicas son más difíciles de controlar. La bentonita puede ser utilizada como un viscosificador efectivo en agua de sal; si este es primero prehidratado en agua natural, luego añadido al agua salada. Es benéfico
mantener un pH de 9 a 10 y tratar la lechada de bentonita prehidratada con un defloculante antes de añadirlo al agua salada. De esta manera, la floculación inicial seguida por una pérdida de viscosidad de la deshidratación en el ambiente de agua de sal es reducida. Esto se muestra en la Figura 14. Una lechada que consiste de 30 lb/bbl de bentonita fue preparada y se le permitió hidratarse. Luego fue añadida a un equivalente de barril de agua con una concentración de 100,000 mg/l de cloruro de sodio. De esta figura, es obvio que la arcilla es dispersada en el agua de sal y las propiedades reológicas muestran que la arcilla está efectuando su función. Mucho de esta viscosidad será eventualmente perdida a través de la deshidratación a través del tiempo, pero una porción siempre permanecerá. La viscosidad resultante siempre será sustancialmente mayor que hacer una añadición de arcilla seca directamente al agua de sal.
INSERTAR FIGURA 14 INSERTAR FIGURA 15 INSERTAR FIGURA 16 Una reacción enteramente diferente ocurre cuando la sal, o el calcio, es añadida directamente a una lechada de bentonita preparada e hidratada en agua natural. Las Figuras 15 y 17 demuestran esta reacción. De atención es el aumento inicial y subsecuente disminución en la viscosidad, anteriormente discutida bajo asociaciones de partículas de arcillas. La Figura 15 representa el incremento de viscosidad inicial debido a la floculación causada por la añadición del catión divalente Ca2+. Esto a su vez causa agregación de las partículas y una disminución de viscosidad debido a la deshidratación y número disminuido de partículas. La Figura 16 muestra esencialmente la misma cosa excepto que la floculación y la agregación son causadas por la acción de masa del Na+ debido a su alta concentración. Efecto o pH
Es relevante en este momento considerar también el efecto de pH sobre el rendimiento de bentonita. La Figura 17 ilustra la viscosidad de una lechada de bentonita, ya que el pH es variado. La mayoría de todos los lodos de perforación son tratados para ser alcalinos, por ejemplo, estos deben tener un pH arriba de 7. Una de las consideraciones primarias, ya que el pH no afecta la viscosidad, es la selección de la clasificación de pH más deseable para optimizar las propiedades reológicas del fluido de perforación. De la gráfica se puede observar que la viscosidad de una suspensión de bentonita es menor en la clasificación de pH de 7 a 9.5. esta es una razón de por qué la mayoría de los fluidos de perforación con base agua son corridos en esta clasificación. La dispersión aumentada de las arcillas resulta cuando el pH está arriba de 9.5, aumentando la viscosidad del fluido de perforación.
INSERTAR FIGURA 17 En discusiones previas, en énfasis ha sido hacia obtener la mayor viscosidad a partir de la adición más pequeña de material. El significado de pH es que la viscosidad creada por valores arriba de 10 está algunas veces fuera de proporción a lo que es considerado como propiedades deseables del lodo. Por razones obvias, como seguridad y corrosión, los lodos de perforación son raramente operados en la clasificación acídica con un pH debajo de 7. Principios de tratamiento químico
La viscosidad es el resultado de fuerzas de fricción, así como eléctricas, que existen en un sistema de lodo. Mientras progresa la perforación, los sólidos son incorporados dentro del
lodo de perforación. Estos serán molidos y rotos en varias partículas muy finas, causando un aumento en la viscosidad del lodo, a menos que estos sólidos sean removidos del sistema. Perforar varios contaminantes también causará floculación y un aumento en viscosidad. Evaluar las propiedades reológicas del lodo permitirá que el ingeniero de lodos determine rápidamente la causa del problema y el tratamiento apropiado para reducir la viscosidad. El agua es efectiva para reducir la viscosidad si los sólidos son altos, pero no es el tratamiento más económico si se causa viscosidad anormal por floculación química (según indicado por un alto límite elástico aparente y gels). Hay aditivos aniónicos orgánicos e inorgánicos que pueden ser utilizados para reducir efectivamente la floculación. El efecto primario de los químicos aniónicos de viscosidad reducida se cree que sea una neutralización de cargas catiónicas residuales de enlace roto. El mecanismo de esta acción en las suspensiones de arcillas de agua es para reducir esa porción de viscosidad debido a fuerzas de atracción entre las partículas sin afectar sustancialmente esa porción de viscosidad debido a la hidratación de minerales de arcilla. Los materiales de aniónicos son adsorbidos en las orillas de partículas de arcilla para satisfacer las cargas catiónicas de enlace roto. Los químicos de carga aniónica comúnmente utilizados para el tratamiento de lodos de perforación incluyen fosfatos, taninos, ligninas de ácido húmico (lignita), lignosulfonatos y polímeros sintéticos de bajo peso molecular. Esta adsorción cambia el balance de las fuerzas que actúan sobre la partícula de arcilla desde una fuerza de atracción (floculación) a una fuerza repelente (defloculación). En vez de ser retiradas juntas, las partículas se repelen o tienden a evitar el contacto una con la otra. Los agentes de tratamiento químico reducen la floculación en los fluidos de perforación de agua de arcilla por uno o más de los siguientes mecanismos. 1. Remoción del contaminante por precipitación. 2. Reducción de los efectos del contaminante complejando el contaminante (separación). 3. Neutralización de floculación satisfaciendo las cargas catiónicas en las partículas de arcilla. 4. Encapsulando o formando una película protectora alrededor de la partícula de arcilla. Fosfatos
Los dos fosfatos principales utilizados en el lodo de perforación son: 1. Pirofosfato de Ácido de sodio (SAPP) pH de 4.8. 2. Tetrafosfato de Sodio (STP o PHOS) pH de 8.0 Estos fosfatos son poderosos dispersantes aniónicos y sólo un pequeño tratamiento producirá reducción máxima de la viscosidad. La cantidad de tratamiento para dispersión simple raramente excede 0.2 lb/bbl. Esto significa que para un sistema de 1,000 bbl, sólo 200 lb se requerirían para adelgazar el fluido. Los fosfatos pueden ser añadidos directamente a través de la tolva o desde el barril de químico, aproximadamente 50 lb de fosfato es mezclado con un barril de agua. La solución es luego añadida directamente al lodo uniformemente en una circulación. Los fosfatos son utilizados principalmente en los lodos de pH bajo y lodos iniciales. Estos bajan la viscosidad en dos maneras. (1) neutralizan fuerzas de atracción siendo adsorbidos en la superficie de sólidos, y (2) remueven el calcio y el magnesio. El pH bajo del SAPP y su habilidad para remover el calcio lo convierte en un excelente agente de tratamiento para la contaminación por cemento. Los fosfatos rara vez son usados por ellos mismos en tratamiento de lodo; en vez de eso, son utilizados para suplementar el control junto con la soda cáustica y un adelgazador orgánico. Si SAPP (pH de 4.8) fue utilizado
continuamente por sí mismo, el lodo eventualmente se convertiría a acídico. Esto podría ser en detrimento y conducir a corrosión severa y viscosidad excesiva. El PHOS tiene un pH más neutral (8.0) que lo hace más aplicable para tratamientos rutinarios de adelgazamiento de lodo. La aplicación de fosfatos para tratamiento es limitada. Los materiales no son adelgazadores de lodo efectivos a temperaturas moderadas. Si la temperatura del lodo excede bastante los 175°F (79.4°C), los fosfatos se revierten a ortofosfatos. Como ortofosfatos, estos se pueden convertir en floculantes en vez de defloculantes. Esto no regula la aplicación de fosfatos para separar el calcio a temperaturas más altas. Como ortofosfatos, todavía tienen la habilidad para disminuir el calcio, aunque su poder adelgazante es disminuido. Los fosfatos tampoco operan efectivamente a concentraciones altas de sal. Lignita
La lignita básica utilizada para control de viscosidad es TANNATHIN® (pH 3.2). La lignita es menos soluble a un pH bajo, así que para ser efectivo, el pH del lodo debe estar en el rango alcalino o la lignita debe ser presolubilizada en una lechada de pH alto antes de ser añadida al sistema de lodos. La soda cáustica es usualmente añadida con aditivos de lignita de pH bajo. Para uso en el campo, la proporción de soda cáustica a la TANNATHIN® promediará de 1:6 a 1:2. Las ligninas se añaden mejor a través de la tolva del lodo. El TANNATHIN® trabaja mejor en los sistemas de lodo con valores pH que promedian de 9 a 10.5. El CAUSTILIG® es una lignita causticadora que tiene un pH de alrededor de 9.5. El K-17® es una lignita de potasio de hidróxido neutralizado con un pH de alrededor de 9.5. El XP-20® (pH 10) es una lignita de cromo prereaccionado utilizado principalmente en conjunto con SPERSENE® (lignosulfonato de cromo). Este no sólo reduce la resistencia de la viscosidad y gelatinización, sino que cuando es utilizado en cantidades suficientes, este reduce la pérdida de agua y proporciona un ambiente inhibidor. Las adiciones de SPERSENE son generalmente hechas a través de la tolva de mezcla. Aplicación
La Figura 18 demuestra los cambios de viscosidad que ocurren cuando los valores de viscosidad plástica y el límite elástico aparente son alterados por contaminación y tratamiento químicos. Los datos pueden ser analizados para determinar el efecto sobre ambos, la viscosidad del embudo y la viscosidad aparente variando las añadiciones de material para promover los cambios, luego interpretando los valores reológicos. Ya sea medidos en segundos/cuarto con el embudo o en cP con el viscómetro, la viscosidad aparente está compuesta por dos componentes: (1) contenido de sólidos y naturaleza de esos sólidos, y (2) la atracción electro-química entre los sólidos. Mientras los contaminantes son introducidos y/o el contenido de sólidos es aumentado, aumenta la viscosidad. Si aumenta la viscosidad del embudo Marsh, entonces la viscosidad aparente aumentará normalmente. También es verdadero que si uno disminuye el otro usualmente disminuye. Sin embargo, si sólo la viscosidad aparente fuera medida, este valor es de poco uso para el control del lodo. La viscosidad plástica, el límite elástico aparente y las resistencias del gel son factores importantes. La viscosidad plástica es más una medida de viscosidad estructural que es determinada por la concentración de sólidos. El límite elástico aparente y los gels son más una medida de hidratación y floculación de arcilla. Los límites elásticos aparentes y los gels en la arcilla liberan los polímeros xantan y los lodos son menos afectados por contaminación normal, floculación/defloculación y adelgazamiento químico aniónico.
Los principios de tratamiento químico en un fluido de arcilla-agua son mostrados en la Figura 18: 1. Introduciendo ½ lb/bbl de cemento causó que ocurriera floculación debido principalmente a la contaminación por calcio. Ambos, la viscosidad de embudo y la viscosidad aparente aumentan. El examen de la gráfica revela que este cambio de viscosidad fue causado al aumentar el límite elástico aparente (se experimentó aumento de fuerzas de atracción). Poco o ningún cambio se experimentó en la viscosidad plástica porque la viscosidad plástica es debida principalmente a los sólidos. 2. Entonces un % de agua fue añadido para demostrar que el agua tiene poco efecto en la reducción del límite elástico aparente (floculación). El agua no remueve el calcio, que es la causa de la floculación o de altas fuerzas de atracción. El agua sólo puede aumentar la separación de los sólidos, pero no cambia la asociación de las arcillas o altera el límite elástico aparente. 3. La añadición de 1(un) lb/bbl de PHOS (para remover el calcio) produce una disminución tremenda en ambos, el embudo y la viscosidad aparente. Esta fue presentada bajando el límite elástico aparente. El límite elástico aparente fue reducido porque el PHOS reduce el calcio y deflocula las partículas de arcilla. También se muestra que esta añadición de químico tiene poco o ningún efecto sobre la viscosidad plástica.
INSERTAR FIGURA 18 4. El segundo aumento de viscosidad (Parte D) fue causado por la añadición de 200 lb/bbl de barita (sólidos inertes) para aumentar el peso del lodo. El cambio de viscosidad aparente es casi el mismo que antes, pero por una razón completamente diferente. Este cambio de viscosidad resultó de elevar la viscosidad plástica. La añadición de más sólidos aumentó la fricción entre los sólidos porque el área total de superficie de los sólidos aumentó. El límite elástico aparente aumentó sólo ligeramente porque los sólidos están más cercanos juntos. Cualquier fuerza de atracción será más efectiva porque la distancia entre las partículas es reducida. No obstante, el embudo y la viscosidad aparente aumentó principalmente debido a la viscosidad plástica aumentada. Aquí, el tratamiento de lodo correcto sería añadir agua. 5. ¼ lb/bbl de PHOS fue añadido para demostrar que una ligera reducción en viscosidad puede ser obtenida bajando el límite elástico aparente, y también muestra que el sólo tratamiento químico no reducirá la viscosidad alta de los sólidos. La viscosidad permaneció alta aun después del tratamiento. 6. Añadir agua es el tratamiento correcto para reducir la viscosidad. Diez % por volumen de agua fue añadido y la viscosidad plástica fue reducida. Ambas, la viscosidad del embudo y la aparente disminuyó significativamente porque estas son una función de la viscosidad plástica. El límite elástico aparente disminuyó sólo ligeramente. 7. Añadir ambos, un contaminante químico y sólidos reactivos, causa que la tercera viscosidad aumente; aumentando ambos, el límite elástico aparente y la viscosidad plástica,. ¼ lb/bbl de cemento, aumentó el límite elástico aparente como en la Parte A. la viscosidad plástica fue aumentada añadiendo 10 lb/bbl de arcilla, por la misma razón como la viscosidad aumentada en la Parte D por la introducción de sólidos. Hay, sin embargo, una gran diferencia. Los sólidos de arcilla se hidratan y toman agua. Con menos agua libre disponible, la fricción es aumentada considerablemente con sólo una pequeña cantidad de sólidos. Para una unidad de volumen de sólidos, los sólidos de
perforación hidratable siempre aumentan la viscosidad más que los sólidos inertes. El tratamiento correcto aquí es la añadición de ambos, adelgazadores químicos y agua para dilución para bajar ambos, viscosidad plástica y el límite elástico aparente. 8. La añadición de químicos bajó la viscosidad por la misma razón que en la Parte C. 9. La añadición de agua bajó la viscosidad por la misma razón que en la Parte F. La siguiente generalización puede ser hecha para el control más económico de las propiedades de flujo para obtener condiciones óptimas: 1. Un límite elástico aparente que aumenta, acompañado por poco o nada de cambios en la viscosidad plástica, puede ser reducido o controlado por la añadición de adelgazadores químicos en un sistema de arcilla-agua. 2. Una viscosidad plástica que aumenta, acompañada por poco o nada de cambios en el límite elástico aparente, puede ser reducida o controlada por agua o el uso de equipo mecánico de control de sólidos para desechar sólidos indeseables. 3. Grandes aumentos simultáneos en ambos, límite elástico aparente y viscosidad plástica, pueden ser reducidos o controladas por ambos de los anteriores.
